黃山山區110kV輸電線路防雷分析

張峻林+盛俊英+王震+金鑫

摘 要： 本文對地處黃山山區的110kV 大祁942線路雷擊跳閘情況進行了統計，分析了山區地形、避雷線保護角以及桿塔接地電阻對線路遭受雷擊概率的影響，提出改變桿塔接地電阻，引入新型防雷設備等策略提高線路耐雷水平降低雷擊跳閘率。

關鍵詞： 山區；輸電線路；雷擊；接地電阻

1 引言

雷電是一種由大量水滴的積雨云并伴隨強烈的高空氣流形成雷云，造成地面放電的一種自然現象，它作為一種強大的自然力的爆發是難以遏制的。雷電的釋放通常伴隨著強的電磁場和極大的電流沖擊，往往對地面建筑物、高壓輸電線路造成威脅[1]。雷擊對輸電線路的破壞主要表現為大的沖擊電流形成雷擊過電壓造成絕緣閃絡，更嚴重的雷擊會破壞電力設備絕緣性，造成停電事故。近年來氣候的反常引起了雷擊數量的增加，特別處于山區的高壓輸電線路，每年雷擊造成的輸電線路跳閘事故占線路跳閘總次數的50%～70%[2]，山區高壓輸電線路的防雷擊保護是線路防護重點。

2 110kV大祁輸電線路雷擊跳閘概況

黃山市位于安徽省最南端，介于東經117゜02-118゜55和北緯29゜24-30゜24之間，南北跨度1゜，東西跨度1゜53。西南與江西省景德鎮市、婺源縣交界，東南與浙江省開化、淳安、臨安縣為鄰，東北與本省宣城市的績溪、旌德、涇縣接壤，西北與池州市的石臺、青陽、東至縣毗鄰，屬中亞熱帶北緣、常綠闊葉林、紅壤黃壤地帶，以山地為主，屬亞熱帶季風濕潤氣候區。黃山地區降水多集中于5-8月，年平均雷暴日數為49天左右，對輸電線路的雷擊防護工作要求高。

110kV大祁942線路是安徽黃山境內典型處于山區的高壓輸電線路，2007年開始投入運行，線路總長約40.53公里。地處黃山市西北部山區，線路走廊有95%以上為地形復雜的高山地形；橫跨多處高速公路、田地、河流，大跨度檔距較多；加之該地區土質以黃壤、紅壤、風化石等較為復雜，土壤電阻率較高；自投運以來屬雷電跳閘事故多發線路。日益嚴峻的氣候環境加之線路地處山區導致該線路近幾年雷擊跳閘事故居高不下，2014年-2015年線路跳閘情況如表一所示：

近年來，大祁942線110kV輸電線路雷擊跳閘率有逐漸上升的趨勢，究其原因還是與地區氣候環境、線路所處山區地形以及桿塔接地電阻高等因素所造成的，要想降低線路雷擊跳閘率就要分析線路雷擊特點，進行有針對性的防雷策略。

3 線路雷擊特點分析

為了更好的進行線路防雷，我們對桿塔所處地理地形環境、避雷線保護角、線路既有防雷設備以及桿塔接地電阻情況進行了調研，分析導致雷擊跳閘率高的各種潛在因素，以便為后續防雷策略提供新的思路。

1）山區地形的影響

110kV大祁942線路走廊地處山區，桿塔所處地形地理位置如圖1所示：從衛星圖中可以看出線路桿塔大多位于山頂、山坡或接近水庫處，山區植被豐富，氣候潮濕，強對流天氣頻繁是雷擊地閃形成的良好條件。處于山坡、山頂桿塔易與周圍物體形成絕對的高度落差，

周圍環境屏蔽效果差，根據雷電地閃形成原理，更易遭受雷擊。雷暴形成前，山風會攜帶著很多霧狀水滴，在桿塔附近的坡側形成較大的回旋曖濕氣流，在雷云下行先導的作用下，形成上行先導引起雷擊線路，示意圖如圖2所示，這一微地形在雨季微氣候的作用下，處于山頂及山坡處桿塔遭受雷擊的概率將大幅度上升。

2）避雷線保護角的影響

避雷線在輸電線路中具有分流作用，以減小流經桿塔的雷電流，從而降低塔頂電位；還能通過對導線的耦合作用可以減小線路絕緣子的過電壓；以及對導線的屏蔽作用還可以降低線路雷電繞擊率，在高壓線路桿塔架設避雷線是最基本的防雷措施[3]。避雷線一般是架設在鐵塔的頂部，與輸電線路的導線形成保護角，而減小保護角能有效增加避雷線屏蔽面，減小導線暴露面，降低雷電繞過避雷線擊中導線的概率，從而起到雷電防護的作用。對于山區高壓線路而言，線路遭受雷電繞擊的概率比平原地區高，根據規程試驗以及運行經驗，繞擊率Pα即繞擊概率與避雷線對導線外側的保護角、桿塔高度以及線路所處地形地貌條件有關，可以按公式（1）計算：

式中α為避雷線保護角，從公式關系可以看出，避雷線保護角越大，線路遭受雷電繞機的概率也更高，2014-2015年大祁942跳閘桿塔避雷線保護角如表二所示：在對該條線路避雷線

保護角的調研測算中，避雷的保護角大部分都是大于10°的，部分桿塔可達16°，現在我國對110 kV 線路避雷線的保護角建議采用0°， 特別是雷擊發生嚴重的多雷區線路， 有的甚至要求使用負保護角， 以擴大避雷線的保護范圍。避雷線保護角過大會對線路屏蔽效果減弱，線路遭受雷電繞擊概率增加，最終導致的結果是雷擊跳閘率居高不下。

3）接地電阻的影響

根據標中華人民共和國電力行業標準《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合DL/T 620—1997》，雷擊桿塔時，桿塔上絕緣承受的過電壓最大值為[4]：

如ul.i.m大于絕緣子串的50%沖擊放電電壓u50%，則將發生閃絡。取ul.i.m=u50%，即可求出雷擊桿塔頂部時的耐雷水平I1。

如取固定波頭長度τt=2.6μs，則 ，此時耐雷水平為：

按照110kV輸電線路設計標準，取u50%=800kV，Ri為7-15Ω，可得出110kV桿塔耐雷水平為41-63kA。從耐雷水平公式中我們可以看出，桿塔接地電阻的大小直接影響著線路的耐雷水平，2014-2015雷擊跳閘桿塔接地電阻值如表三所示：

雷擊跳閘桿塔接地電阻值都是大于10Ω的，導致線路耐雷水平無法達到國標要求，一旦有大電流經過桿塔，必定導致線路跳閘事故。

4 防雷對策

輸電線路所處山區地形地理位置，雷電發生概率高，這是線路設計之初自身固有存在的問題是難以避免的。避雷線保護角大，難以抵擋部分雷電的繞擊，要想降低保護角需要重新架設整條線路，這對于已建運行輸電線路而言是不可取的，因為改變避雷線保護角從施工難度和經濟效益方面考慮是不明智的防雷改造方案。110kV大祁942線路大部分桿塔接地電阻大于10Ω，降低了線路的反擊耐雷水平，難以抵御大電流的沖擊，是線路雷擊跳閘率高的關鍵因素。要想提高線路耐雷水平降低雷擊跳閘率，結合線路調研分析，可以考慮以下兩點防雷策略：

1）降低桿塔接地電阻

塔頂電位的高低與接地電阻的大小密切相關，降低桿塔接地電阻是所有線路防雷最直接有效的方法。在高電阻率地區降低接地電阻值可采用多支線外延增加接地裝置，選擇潮濕肥沃的土壤置換，或采用接地網進行灌澆降阻劑的方法降低桿塔接地電阻值。根據經驗， 充分利用現場地勢， 沿等高線做水平射線， 或在巖性地帶利用巖性裂縫鋪設水平接地體并施加銅包鐵接地棒，可有效地降低桿塔接地電阻[5]。

2）應用新型防雷設備

近幾年大量應用在云南、貴州的新型波阻式防雷設備具有很好的防雷效果反饋[6]，波阻式防雷設備的防雷思路是通過分析雷電沖擊的特性，把電磁“場”和電磁“波”的概念引入線路防雷電領域，通過設備中的防雷器件濾除危害頻率、阻礙尖峰傳輸、加強向外輻射、增大內部衰減等精確控制雷電波的方法，實現對雷電災害的“避其害而順其勢”的防護，實現線路防雷從能量對抗到信息對抗。工程設計上通過影響雷電波的時間特性、頻率特性，影響雷電波的傳輸、沖擊，用電的方法難以實現時，可以用磁的方法、電磁轉換的方法，影響雷電波的危害形成，最終設備實現對雷電和操作過電壓等沖擊的有效控制。波阻式防雷設備能削減雷電波峰幅度可達30%以上，有效的降低作用于桿塔及其支持構架的沖擊過電壓幅值，可同時對線路進行反擊與繞擊保護，提高線路耐雷水平。并且，新型波阻式防雷器件是一個不在線的防雷設備，無需接入輸電線路，與桿塔原有防雷不沖突，可與現有防雷設備結合加強桿塔防雷能力。

5 結論

位于山區的高壓輸電線路，容易遭受雷電的反擊與繞擊，通過對110kV大祁942線的防雷應結合線路走廊地形特點、地理位置、現有防雷措施、桿塔接地電阻等實際情況進行逐線逐基桿塔的防雷分析，采取了加裝55套新型波阻式防雷設備、改造接地電阻的針對性的防雷綜合措施實施，2016年雷擊跳閘率降低了80%，取得了明顯的效果。

參考文獻

[1] 陳俊彬. 提高110kV輸電線路防雷水平的對策探討[J]. 科學與財富， 2013（3）：100-100.

[2] 王桂春. 淺談110KV架空輸電線路防雷設計措施[J]. 商品與質量·建筑與發展， 2013.

[3] 張雷. 輸電線路設計應注意的問題[J]. 今日科苑， 2015（12）：109-109.

[4] 阮羚，谷山強，趙淳，等. 鄂西三峽地區220kV線路差異化防雷技術與策略[J]. 高電壓技術，2012，38（1）.

[5] 李百擋， 李景祿， 朱坤雙. 山區110kV線路雷擊事故分析及對策[J]. 電瓷避雷器， 2007（1）：43-46.

[6] 李平. 波阻式線路防雷設備在重雷區域的應用研究[J]. 云南電力技術， 2013， 41（5）：22-24.

作者簡介：張峻林（1973-），男，本科，現就職于國網黃山供電公司，從事輸電線路運維管理工作，聯系電話 05592937286，郵箱hs_zjl@sina.com